Test von Wireless-LAN-Geräten Der neue WLAN-Standard 802.11ac und seine Testanforderungen

802.11ac-Testlösung von Agilent: Messaufbau zur Einstellung der digitalen Vorverzerrung
802.11ac-Testlösung von Agilent: Messaufbau zur Einstellung der digitalen Vorverzerrung

Wenn es um die Entwicklung neuer Funkstandards geht, sind die Messtechnikhersteller gefordert, das entsprechende Simulations- und Messequipment frühzeitig bereitzustellen. So auch für den kommenden WLAN-Standard 802.11ac. Dieser birgt jedoch ganz eigene Herausforderungen in sich.

Der für Ende 2013 erwartete WLAN-Standard IEEE 802.11ac weist den Weg zu drahtlosen Verbindungen mit einem Datendurchsatz zwischen 500 Mbit/s und 1 Gbit/s im Einkanalbetrieb. Maximaldatenraten von 6,93 Gbit/s in einem 160 MHz breitem Übertragungskanal und acht voneinander unabhängige Datenströme stellen jedoch enorme Herausforderungen an die Entwickler. Um standardkonforme Systemkomponenten zu entwickeln, brauchen sie Tools zur Systemsimulation und zur Erzeugung und Analyse der breitbandigen Signale.
 
Ein Blick zurück: Die ersten weit verbreiteten WLAN-Standards IEEE 802.11a und b sowie später 802.11g dienten zunächst vor allem dem Anschluss eines Laptops an ein Netzwerk zu Hause oder im Büro, in der Folge auch der Kommunikation unterwegs. Ihre Hauptaufgabe war der Aufbau einer Verbindung zu einem leitungsbasierten Breitbandnetz, um im Web surfen und Emails bearbeiten zu können. Limitierender Faktor dabei war die Geschwindigkeit des Breitbandnetzes, so dass eine langsame drahtlose Verbindung ausreichte. 802.11b leistete bis zu 11 Mbit/s bei 2,4 GHz, dann stiegen die Datenraten auf 54 Mbit/s bei 5 GHz (802.11a) bzw. 2,4 GHz (802.11g), allesamt in freien Frequenzbändern. Neue Anwendungsmöglichkeiten wie etwa das Verteilen und gemeinsame Nutzen von Daten zu Hause oder in kleineren Betrieben sowie das drahtlose Drucken im Netz weckten den Wunsch nach höherem Durchsatz. So entstand 2009 der Standardvorschlag 802.11n, der die maximale Einkanal-Datenrate auf über 100 Mbit/s steigerte. Das war auch die Premiere von MIMO (Multiple Input, Multiple Output), einem Streaming-Konzept im Raummultiplex, bei dem bis zu vier getrennte Sende- und Empfangsantennen voneinander unabhängige Datenströme führen können, die in einem Modulations-Demodulations-Prozess zusammengefasst werden.
 
Doch der Bedarf nach immer höherem Durchsatz ist ungebrochen. Entsprechend arbeitet eine IEEE-Arbeitsgruppe an einer neuen Spezifikation namens 802.11ac. Ziel ist ein noch höherer Datendurchsatz (Very High Throughput – VHT) als Erweiterung von 802.11n mit einem Minimum von 500 Mbit/s und bis zu 1 Gbit/s in Einkanalbetrieb im 5-GHz-Frequenzband. 
 
»Angesichts der vielen bereits vorhandenen Endgeräte – Laptops, Tablets und Smartphones – ist die Rückwärtskompatibilität zu bestehenden Standards im selben Frequenzbereich unabdingbar«, erklärt Spiro Moskov, Applikationsingenieur HF und Wireless bei Agilent. »Alle Standards der Familie 802.11 sind rückwärtskompatibel und unterscheiden sich nur in den Eigenschaften der physikalischen Ebene des ISO-OSI-Schichtenmodells; 802.11ac soll auf der Medium-Access-Control- bzw. Data-Link-Ebene kompatibel sein. Die endgültige Version von 802.11ac wird für Ende 2013 erwartet. Geräte, die vorläufigen Versionen dieses Standards entsprechen, könnten jedoch bereits vorher auf dem Markt erscheinen.«
 

Technische Unterschiede zu 802.11n
»Die physikalische Ebene von 802.11ac ist eine Erweiterung des Standards 802.11n und rückwärtskompatibel dazu«, verdeutlicht der Experte. »Die theoretische maximale Datenrate von 802.11n ist 600 Mbit/s bei 40 MHz Bandbreite bei vier räumlich getrennten Datenströmen. Die meisten Endgeräte der Konsumelektronik sind jedoch auf zwei Streams limitiert. Bei 802.11ac beträgt die theoretische maximale Datenrate 6,93 Gbit/s bei 160 MHz Kanalbandbreite mit acht Streams, MCS9 mit 256QAM-Modulation und verkürztem Schutzintervall. Eine gut realisierbare Datenrate für Konsumer-Endgeräte wäre 1,56 Gbit/s, das würde einem 80-MHz-Kanal mit vier Streams, MCS9 und normalem Schutzintervall entsprechen.« Auch wenn 160 und 80+80 MHz als optionale Leistungsmerkmale im Standard 802.11ac vorhanden sind, werden die ersten Endgeräte nach Moskovs Überzeugung voraussichtlich nur 80 MHz Bandbreite nützen und maximal vier Streams verwenden.
 
Innerhalb der Datenrahmenstruktur ermöglichen die Präambel- und Trainings-Felder dem Empfänger das automatische Erkennen des verwendeten Standards für die physikalische Ebene. Bild 1 zeigt die Präambel-Rahmen für 802.11n und 802.11ac. Die ersten drei Felder beider Präambeln sollen aus Gründen der Rückwärtskompatibilität von Non-HT- und Non-VHT-Stationen empfangen werden. Die ersten Legacy-Short- und Long-Training-Felder (L-STF und L-LTF) und das Signalfeld (L-SIG) entsprechen denselben Feldern in 802.11a/b/g. Das unterschiedliche vierte Feld (Zeichen 6 und 7) identifiziert den Rahmen als entweder 802.11n oder 802.11ac.
 
Ein genauerer Blick auf die VHT-Präambel zeigt, dass für Kanäle breiter als 20 MHz die Legacy-Felder für jedes 20-MHz-Subband mit entsprechender Phasendrehung dupliziert werden. »In bestimmten Subbändern werden die Subcarrier um 90 oder 180 Grad verschoben, um das Verhältnis der Spitzen- zur mittleren Leistung zu reduzieren«, so Moskov. »Um eine VHT-Übertragung anzuzeigen und die automatische Erkennung zu ermöglichen, ist das erste Zeichen des VHT-SIG-A BPSK-codiert, während das zweite BPSK mit 90 Grad Rotation (QBPSK) aufweist. Das unterscheidet es vom HT-SIG in 802.11n, wo beide Zeichen QBPSK-Modulation verwenden.« Das VHT-SIG-A-Feld enthält die für das Interpretieren von VHT-Paketen erforderlichen Informationen – Bandbreite, Anzahl der Streams, Schutzintervall, MCS-Codierung und Beamforming. Die restlichen Felder in der Präambel sind nur für VHT-Geräte vorgesehen. »VHT-STF soll die automatische Verstärkungssteuerung in MIMO-Systemen verbessern«, erläutert Moskov. »Die darauf folgenden Long-Training-Sequenzen bieten dem Empfänger Hilfen zur Einschätzung des MIMO-Kanals zwischen den Sende- und Empfangsantennen.« Abhängig von der Gesamtzahl der Raum-Zeit-Streams können 1, 2, 4, 6 oder 8 VHT-LTFs vorhanden sein. Die Mapping-Matrix für 1, 2 oder 4 VHT-LTFs entspricht der von 802.11n, für 6 oder 8 VHT-LTFs wurden neue hinzugefügt. Das VHT-SIG-B-Feld beschreibt die Länge der Daten und das Modulations- und Codier-Schema (MCS) für Ein- oder Mehr-Nutzer-Betriebsarten.